王德瑜

（捷普科技（上海）有限公司，上海200233）

1 概述

静电是人们非常熟悉的一种自然现象，当人体接触电子产品和设备时就可能产生静电放电，造成电子产品和设备的功能紊乱甚至部件损坏。其它带静电物体或动物经过电子产品或接触电子产品和设备时，也会造成同样的结果。电子产品和设备通常都会有接口与外界连接和通讯，常见的有USB 接口、耳机、显示器接口、天线接口及其他各类数据传输接口，这些位置都需要进行ESD 防护。另一类则是用于功能状态指示的LED 灯、显示屏，ESD 可能会造成产品状态的显示异常，造成使用者做出错误的决定，进而引发安全问题。

静电放电测试的目的就是测试单个设备或系统的抗静电干扰的能力。它模拟：（1）操作人员或物体在接触设备时的放电；（2）人或物体对邻近物体的放电。

静电放电可能产生如下后果：（1）直接通过能量交换引起半导体器件的损坏；（2）放电所引起的电场与磁场变化，造成设备的误动作；（3）放电的噪声电流导致器件误动作。下文对实际设计的一款充电器产品LED 灯位置的ESD 防护做了一个详细的描述，提出了解决该类问题的设计思路和解决方法。

2 产品问题描述

本充电器为医疗产品的专用锂电池充电，需要符合相关的医疗标准。一个充电器可以同时为两个锂电池充电。产品要可靠、安全，不能让医护人员对电池的充电状态有误解，进而导致对医疗产品的使用和时间安排造成影响。

充电器产品采用防火塑料外壳，用两个LED 灯指示两个锂电池的充电状态，由一个220 伏转5 伏电压的适配器供电，锂电池采用5 个触点（正极，负极，NTC，SDA，SCL）。电路板采用两层PCB 板，LED 灯表面贴装在PCB 表面上。用两个导光柱将光线传导到塑料外壳外面。绿灯闪烁为正常充电中，绿灯常亮表示为充满，黄灯为数据通信错误，没有红灯常亮的状态。测试标准按照IEC 60601-1-2:2014，IEC 61000-4-2:2008，通过条件为空气放电达到±15kV，接触放电达到±8kV，产品工作正常。

实际测试中发现，充电器在充电状态下，空气放电±8kV 产品工作正常，LED 灯显示正常，空气放电±15kV 时，在导光柱与外壳的配合处有明显的火花看见，听到放电声，LED 灯随之熄灭。

3 问题分析

导光柱采用装配的方式安装在充电器外壳上，虽然配合间隙很小，但还是会有空气间隙，静电枪释放的静电依旧可以从这个缝隙到达PCB 板上的元器件，当电压达到一定程度时，空气被击穿，放电产生，静电由最近的位置进入电路板并沿电子线路传播，有电子器件不能承受高压或大电流导致损坏，电路完全失效，不可恢复。

在产品设计初期，考虑到装配和成本原因，结构上导光柱采用单独设计，两个导光柱分别装配到壳体中，通过干涉配合保证导光柱不会从壳体中脱落，导光柱用料最少。电路设计上采用两层电路板设计、成本最低。从电路板水平方向看，可能有6 个位置的电子器件与导光柱较近，存在静电进入的可能。通过对垂直界面空气间隙路径的分析（图2），可以确定空气间隙距离最小为9.8mm。这也解释了测试中+/-8kV 可以通过，而+/-15kV 失败的原因。（经验值：在实验室条件下1.0mm 空气间隙可以承受1.0kV 的静电，高湿度的环境中空气间隙会相应变大）。

图1 水平方向的空气间隙路径

图2 垂直截面的空气间隙路径

为解决充电器的ESD 问题，从纯机械的角度而言，如果导光柱与壳体之间没有空气间隙，自然就没有ESD 的问题。要达到这样的目的，有许多方法可以采用。

方法一，采用点胶方法。 先将导光柱表面涂覆胶水，然后进行装配，与壳体粘接在一起，用胶水（硅胶或环氧胶等）填充微小的间隙。或者将导光柱与壳体装配好后，在机器内部的导光柱周边点胶水。点胶方法增加了生产线的制程和控制难度，如果产线制程控制不良、存在空气间隙，也无从发现问题，同时也可能造成外观不良。点胶设备以及胶水的使用也增加了生产线的投入和产品成本。

方法二，采用增大空气间隙的方法。通过结构的改进，可以增大外壳到内部电路之间气隙的距离，从而使ESD 的能量大大减弱，建立一个击穿电压大于测试电压的抗ESD 环境。需要结构和电子一起配合进行，适当调整或改变电路板的元器件布局。在结构空间受限的情况下，通常会采用迷宫式设计，类似于两组散热片对插的形状，运用两组多道塑料薄壁，增大空气间隙。

方法三，改变产品LED 灯处外观设计。采用装饰面板的设计，如洗衣机控制面板的设计，用一层塑料薄膜面板将LED 灯覆盖并保护起来，完全封闭空气间隙。这个方法会彻底改变当前产品外观，不予考虑。

方法四，采用半透明外壳材料，让LED 灯光线从内部投射出来。这个方法对产品外形设计改变不大，但是对外壳材料及颜色有要求和限制。LED 灯光线通过外壳材料后会发生颜色混合的现象，对特定场合的应用会有限制。本产品采用的是蓝色外壳，如果在半透明蓝色的基础上显示纯正的黄色指示灯光也没法实现。故本方法不予考虑。

以上的四种解决方案都为“堵”的方法。

相对于“堵”的方法，还有用“疏”的方法。 例如，可以用导电油漆喷涂在壳体的内侧。导电油漆是导电的，可以看成是一个金属的屏蔽层，这样可以将静电导在壳体上；再将壳体与PCB 的地连接，将静电从地导走。这样的处理方法除了可以防止静电，还能有效抑制EMI 的干扰。导电漆的运用会大幅度增加产品零件成本，增加对环境的伤害，不利于回收利用。非不得已的情况下不建议使用。

电路方面提高抗ESD 设计是解决问题的另一个角度。例如采用多层电路板设计；增加抗ESD 器件；增加走线的线宽和线距；杜绝敏感信号线布置在PCB 的边缘；对布置在PCB 边缘的印制线进行包地处理，可以降低该印制线对参考地板或金属外壳之间的寄生电容。这些对于ESD 性能都有好处。

有时候ESD 问题也可以从软件角度来改进，这个是建立在设备硬件及元器件没有物理损坏，且不用设备拔电重启的前提下。即设备在遭遇到ESD 静电释放，LED 灯显示异常后，软件在下一个时间点对LED 灯的显示状态进行刷新或同步操作，LED灯显示恢复正常状态。这种设置不会影响到设备的正常使用。用户只会发现在某一短的时间里LED 灯异常闪烁了一下，立刻又回复正常。这种情况是可以接受的。

4 解决方案

实际案例中最终采用了增加空气间隙的方法，如图3 所示，将两个导光柱向四周延长合并成一个，用导光柱材料覆盖住下方的电子器件，同时PCB 上高的元器件移出相应的位置，以利于简化导光柱的形状。从图4 中可以看到，空气间隙增加到17.6mm。经过实际实验，顺利通过+/-15Kv 的测试。

导光柱的设计相对于最初的设计有所复杂，使用材料也略有增加，但是对系统的防护最直接，也最可靠，且安装简单；同时，电路改动也小，只是进行了元器件位置的变化，软件未做改动。

图3 水平方向的空气间隙路径

图4 垂直截面的空气间隙路径

结束语

ESD 问题的解决是一个系统问题，可以从机构、电子以及软件多个方面入手。实际应用中需要结合具体的问题具体分析，选择最优的解决方案，满足产品性能、项目进度以及成本要求，适当的设计余量也是要考虑的。